KR101875526B1 - 촉매 연소기 및 촉매 연소를 이용한 탄산가스 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주입되는 연료를 금속산화물 촉매를 이용하여 중온 연소함으로써, 질소산화물 등의 유해가스 발생을 억제하고 식물 광합성에 필요한 이산화탄소를 안정적으로 공급할 수 있는 촉매 연소기 및 촉매 연소를 이용한 탄산가스 발생장치에 관한 것이다.
이는 혼합공간과 탄산가스 배출공간을 갖는 연소기 관; 상기 연소기 관의 일측에 구비되고, 상기 혼합공간으로 연료를 분사하는 연료분사기; 상기 연소기 관의 일측에 구비되고, 상기 연료와 혼합되도록 공기를 공급하는 공기 공급기; 및 상기 혼합공간에 구비되어, 상기 연료를 착화시키는 점화기; 상기 연소기 관 내부에 상기 혼합공간과 상기 탄산가스 배출공간을 서로 구획하여 구비되고, 상기 혼합공간에 착화된 연료가 중온 연소반응에 의해 공연비 3 이상의 초희박 촉매연소하여, NOx를 포함하는 유해 배기가스의 발생을 억제하면서 상기 탄산가스 배출공간에 수증기 및 탄산가스를 발생시키는 촉매 연소수단;을 포함한다.

Description

촉매 연소기 및 촉매 연소를 이용한 탄산가스 발생장치{Catalytic combustor and Generator for carbon dioxide by catalytic combustion}

본 발명은 촉매 연소기 및 촉매 연소를 이용한 탄산가스 발생장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 주입되는 연료를 금속산화물 촉매를 이용하여 중온 연소함으로써, 질소산화물 등의 유해가스 발생을 억제하고 식물 광합성에 필요한 이산화탄소를 안정적으로 공급할 수 있는 촉매 연소기 및 촉매 연소를 이용한 탄산가스 발생장치에 관한 것이다.

고품질과 고수익을 위한 작물의 재배 시 생육에 필요한 광합성 속도는 광도, 온도, 이산화탄소(CO₂)의 농도 등에 크게 영향을 받는다.

이중 이산화탄소 농도는 대기 중에 약 380ppm이 존재하며, 원예작물은 대기중의 이산화탄소를 흡수하여 광합성함으로써, 작물 생육에 필요한 동화산물을 생산하고, 광합성 산물이 증감됨에 따라 작물의 수량과 품질이 향상된다.

즉, 적절한 이산화탄소의 공급은 원예작물 재배 시 가장 중요한 요인 중 하나이다.

그런데, 겨울철 하우스 시설 내에서 작물을 재배할 때에는 환기가 매우 제한적이므로, 밀폐된 재배환경에서 광합성에 의한 이산화탄소의 일방적인 소모로 하우스시설 내의 이산화탄소 농도가 감소하게 된다. 이에 따라, 이산화탄소의 농도는 작물의 탄산가스 보상점보다 낮아질 수 있으며, 작물의 생육에 제한요인이 되는 문제점이 있었다.

상술한 문제점을 감안하여, 종래에는, 원예작물의 재배 시 액화 탄산을 공급하는 장치나 연소기를 이용하는 장치를 사용하여 이산화탄소를 공급하는 방식이 사용되어 왔다.

이들 중 액화 탄산을 공급하는 장치는 액화 탄산(liquefied carbon dioxide)을 직접 작물을 재배하는 하우스 내부에 공급하는 장치인데, 액화 탄산은 가격이 비싸므로 경제적인 측면에서 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 연소기를 이용하는 종래의 장치는, 보일러나 내연기관 등의 연소기에서 나오는 배기가스를 작물에 공급하는 장치인데, 상술한 보일러나 내연기관과 같은 연소기를 가동하게 되면, 화석 연료가 고온 연소함으로 인해 작물의 광합성과 생장에 장애가 되는 NOx, HC(탄화수소), CO(일산화탄소) 등의 유해 배기가스가 발생하게 될 뿐만 아니라, 과도한 수증기(H₂O)가 생성되어 재배 식물에 검은 곰팡이 등이 발생하게 되는 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 특개2008-201649호 일본공개실용신안공보 실개평06-005439호 등록특허공보 제10-494893호 공개특허공보 제10-2012-0105724호

본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 주입되는 연료를 금속산화물 촉매를 이용하여 연소함으로써, NOx, HC(탄화수소), CO(일산화탄소) 등의 유해 배기가스가 발생하는 것을 획기적으로 줄이면서 식물 광합성에 필요한 이산화탄소를 공급할 수 있으며, 동시에 하우스 시설 내부의 온도를 조절할 수 있는 촉매 연소기 및 촉매 연소를 이용한 탄산가스 발생장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 연소과정에 중에 발생되는 수증기를 물로 응축시킴으로써, 배출되는 수증기를 줄일 수 있어 하우스 시설 내의 습도를 조절할 수 있는 촉매 연소기 및 촉매 연소를 이용한 탄산가스 발생장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 연소 가스가 배출될 때 작물에 영향을 주지 않을 정도로 충분히 냉각되도록 하면서도, 이를 매우 컴팩트하게 구현한 탄산가스 발생장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 연료의 연소로 인해 발생하는 열량이 작물의 재배 공간을 난방하는 데에 모두 사용될 수 있는 탄산가스 발생장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 하우스 시설 내부의 이산화탄소 농도를 작물종류에 따라 적절한 이산화탄소 농도로 제어할 수 있는 촉매 연소기 및 촉매 연소를 이용한 탄산가스 발생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 혼합공간과 탄산가스 배출공간을 갖는 연소기 관; 상기 연소기 관의 일측에 구비되고, 상기 혼합공간으로 연료를 분사하는 연료분사기; 상기 연소기 관의 일측에 구비되고, 상기 연료와 혼합되도록 공기를 공급하는 공기 공급기; 상기 혼합공간에 구비되어, 상기 연료를 착화시키는 점화기; 및 상기 연소기 관 내부에 상기 혼합공간과 상기 탄산가스 배출공간을 서로 구획하여 구비되고, 상기 혼합공간에 착화된 연료가 300℃ 내지 900℃의 중온 연소반응에 의해 촉매연소하여, 유해가스인 NOx 뿐만 아니라, 촉매연소의 높은 연소 반응성을 통해 CO, HC를 포함하는 유해 배기가스의 발생을 억제하면서 상기 탄산가스 배출공간에 수증기 및 탄산가스를 발생시키는 촉매 연소수단;을 포함하는 촉매연소기를 제공한다.

상기 연료와 공기의 혼합기의 공연비는 초희박 혼합기일 수 있다.

상기 촉매 연소수단에 사용되는 촉매는 구리, 코발트 및 크롬 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

상기 촉매연소기는, 상기 탄산가스 배출공간에 구비되어, 상기 수증기를 물로 응축시키는 열흡수용 열교환기;를 더 포함할 수 있다.

상기 촉매연소기는, 상기 열흡수용 열교환기의 외측에 구비되어 상기 열흡수용 열교환기를 통과한 탄산가스를 상기 연소기 관의 외부로 배출시키는 탄산가스 배출팬;을 더 포함할 수 있다.

상기 연소기 관의 하면은 상기 열흡수용 열교환기에서 응축된 물이 상기 혼합공간으로 유입되지 않도록 구배가 마련될 수 있다.

상기 연소기 관은, 상기 탄산가스 배출 팬과 상기 열흡수용 열교환기 사이의 위치에, 외부와 관통되는 적어도 하나의 홀이 형성되어, 상기 탄산가스 배출팬이 가동될 때, 외부의 공기가 상기 홀을 통해 내부로 유입된 후 상기 탄산가스와 함께 배출될 수 있다.

또한 본 발명은 상술한 촉매연소기; 상기 촉매연소기의 외부에 구비되는 열전달매체저장부; 상기 연소기 관의 외부면을 감싸는 파이프; 상기 탄산가스 배출공간에 구비되어, 상기 수증기를 물로 응축시키는 상기 열흡수용 열교환기; 및 상기 촉매연소기의 외부에 구비되는 열배출용 열교환부;를 포함하고, 상기 열전달매체저장부에 저장된 열전달매체는 상기 파이프를 통해 상기 촉매 연소 시 발생된 열을 흡수하면서 상기 열흡수용 열교환기로 이동하여 배출 공간 내의 연소가스의 열을 흡수하고, 상기 열배출용 열교환부로 이동하여 흡수하였던 열을 배출한 후, 다시 상기 열전달매체 저장부로 이동함으로써, 상기 열전달매체가 순환되는 탄산가스 발생장치를 제공한다.

상기 열배출용 열교환부는, 상기 열전달매체의 열이 전달되는 열배출용 열교환기; 및 상기 열배출용 열교환기의 열을 외부로 배출하는 열 배출팬;을 포함할 수 있다.

상기 열 배출팬의 공기 유동 능력은 상기 촉매연소기의 후방에 있는 탄산가스 배출팬보다 크도록 할 수 있다.

상기 탄산가스 발생장치는, 탄산가스 공급 공간에 설치되고, 탄산가스 센서, 제1 온도 센서 또는 습도 센서를 포함하는 센서부; 및 상기 센서부로부터 측정된 값을 유선 또는 무선으로 수신하고, 설정된 제어치에 따라 상기 촉매연소기와 상기 열배출용 열교환부를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

상기 탄산가스 발생장치는, 상기 탄산가스 배출팬에서 배출되는 탄산가스의 온도를 감지하는 제2 온도 센서;를 더 구비할 수 있다.

상기 탄산가스 발생장치는, 상기 촉매연소수단의 온도를 감지하여, 상기 연료의 착화를 감지하는 제3 온도센서;를 더 구비할 수 있다.

또한 본 발명은 상술한 촉매연소기 또는 상술한 탄산가스 발생장치가 설치된 작물재배용 하우스를 더 제공한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

먼저, 본 발명의 촉매 연소기 및 촉매 연소를 이용한 탄산가스 발생장치에 의하면 주입되는 연료를 금속산화물 촉매를 이용하여 연소함으로써, NOx와 같은 유해가스 및 HC, CO 등의 유해 배기가스의 발생 자체를 획기적으로 줄이면서 식물 광합성에 필요한 탄산가스를 공급할 수 있으며, 동시에 하우스 시설 내부의 온도를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 촉매 연소기 및 촉매 연소를 이용한 탄산가스 발생장치에 의하면 연소과정에 중에 발생되는 수증기를 열교환기를 이용하여 물로 응축시킴으로써, 배출되는 수증기를 줄일 수 있어 하우스 내부의 습도를 조절할 수 있으며, 작물에 곰팡이가 발생하는 것을 억제할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면 컴팩트한 장치를 사용하고서도 연소가스가 작물에 피해를 주지 않을 정도로 충분히 냉각된 상태에서 배출되는 효과를 가진다.

또한 본 발명에 의하면 연료가 연소함으로써 발생하는 열 에너지가 작물이 재배되는 환경의 난방으로 모두 사용된다는 효과를 가진다.

또한, 본 발명의 촉매 연소기 및 촉매 연소를 이용한 탄산가스 발생장치에 의하면 작물종류에 따라 적절한 탄산가스 농도로 제어할 수 있다.

이 외 본 발명의 각 해결수단이 가지는 구체적인 효과는, 이하 실시예를 설명하며 함께 기술하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 촉매연소기의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산가스 배출장치를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산가스 배출장치가 설치된 하우스를 보여주는 도면이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

[연소기 구조]

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 촉매연소기(100)는 주입되는 연료를 촉매연소하여 식물 광합성에 필요한 탄산가스(CO₂)를 발생시키는 연소기로서, 연소기 관(110)에 가스의 유동 방향을 따라 연료분사기(120)와 공기공급기(170), 점화기(130), 촉매 연소수단(140), 열흡수용 열교환기(150), 및 탄산가스 배출팬(160)이 차례로 구비된다.

상기 연소기 관(110)은 연소반응이 이루어지는 관으로서, 기체의 유동 방향을 따라 순차적으로 혼합공간(A)과 탄산가스 배출공간(B)을 갖는다. 상기 연소기 관(110)의 형상은 특별한 제약은 없으나, 본 발명에서는 기체 유동이 가장 원활하고, 팬의 형상과도 대응하며, 혼합기를 형성하기 위한 와류(swirl)의 유도에 가장 유리하여, 결과적으로 촉매연소 효율을 더 높일 수 있는 원통형의 관으로 구비하였다. 여기서 와류는 연소기 관의 길이 방향의 중심 축을 선회의 축으로 하여 기체가 연소기 관의 반경 방향을 따라 회동하는 유동을 의미한다.

연소기 관은 길이방향이 수평이 되도록 배치될 수 있다. 이는 특히 비닐하우스와 같이 길이방향으로 긴 공간에 탄산가스를 골고루 퍼지도록 하며 공급하는 데에 유리하다.

상기 연료분사기(120)는 외부로부터 주입되는 LPG, LNG와 같은 화석 연료를 상기 혼합공간(A)으로 분사하는 분사기이며, 상기 연소기 관(110)의 일측 단부의 중심에 구비된다. 화석 연료로서는 분사 즉시 기화되거나 분사 전에 쉽게 기화되는 가스 형태의 연료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 분사기에 주입되는 연료가 액체 연료인 경우에는 분사되는 즉시 기화되기에 유리하도록 미분화 분사하는 것이 바람직하다. 이는 후술할 공기와 연료의 혼합기의 혼합 균일도를 높이기 위한 것이다.

상기 공기 공급기(170)는 공기를 공급하는 기기로서, 상기 연소기 관(110)의 일측에 구비되되 상기 연료분사기(120) 주변에서 상기 연료분사기(120)를 에워싸도록 위치된다. 가령, 상기 공기 공급기(170)는 외부의 공기를 상기 혼합공간(A)으로 불어 넣는 스월러 팬(swirler fan)일 수 있다.

상기 공기 공급기(170)는, 상기 연료분사기(120) 주변으로 상기 혼합공간(A)에 와류가 발생하도록 외부 공기를 유입시킴으로써, 연료분사기에서 분사된 연료와 공기가 잘 혼합되도록 하여 혼합기를 형성한다. 즉, 상기 혼합공간(A)에서 공기와 상기 연료가 상기 연소기 관(110)의 원주방향으로 선회하면서 혼합되므로, 혼합기의 균일도가 극히 높아지고, 이에 따라 후술할 점화기(130)에서 착화를 시도할 때 착화가 더욱 원활이 이루어짐은 물론, 후술할 촉매 연소수단(140)에서 완전한 촉매연소가 이루어질 수 있다.

상기 연료분사기(120)와 공기공급기(170)는 혼합공간(A)에 지속적으로 연료와 공기를 공급하며, 후술할 촉매 연소 시 중온 연소가 되도록 하기 위해 3 이상의 매우 희박한 공연비(공기/연료)를 가지는 혼합기를 후술할 촉매 연소수단(140)에 지속적으로 공급하게 된다. 상기 점화기(130)는 상기 혼합공간(A)으로 주입된 연료와 공기의 혼합기를 착화시키는 착화기로서, 상기 혼합공간(A)에 구비된다. 점화기(130)는 연소기의 작동 초기에 혼합공간(A)으로 유입되어 후술할 촉매 연소수단(140)으로 유동하는 혼합기를 초기에 착화시키는 기능을 하는 것으로, 일단 착화가 되어 촉매 연소수단(140)에서 원활하게 연소가 이루어지게 되면, 그 작동이 중지된다.

본 발명에서는 점화기(130)로서 도 1에 도시된 바와 같이 촉매 연소수단(140)과 인접한 유동의 상류 쪽에 설치된 촉매를 포함하는 열선을 예시한다. 열선은 세라믹 촉매 담체에 열선을 통과시킨 형태 혹은 열선에 촉매를 코팅한 형태로 제작될 수 있으며, 연소기 관의 유동 단면적을 커버하는 형태이면서 혼합기가 통과할 수 있는 금속망 내지 체(sieve) 형태일 수 있고, 연소기 관의 유동 방향을 가로지르는 대체적인 직선 형태일 수도 있다. 다만 본 발명의 점화기(130)가 반드시 촉매를 포함하는 열선에 한정되는 것은 아니며, 촉매를 포함하지 않거나 촉매가 코팅되지 않은 열선을 사용할 수도 있음은 물론이다.

점화기로서 열선은, 연소기 작동 초기에 전원이 인가되어 착화를 위해서만 작동하며, 초기에 대략 250℃ 내외의 온도로 가열되어 혼합기의 착화를 유도한다.

상기 점화기(130)는 반드시 열선을 사용할 것으로 제한되는 바는 아니며, 도 2에 도시된 전기불꽃점화기(130)가 이용될 수도 있다.

상기 촉매 연소수단(140)은 착화된 연료가 촉매 연소 반응되도록 설치되는 촉매로서, 상기 연소기 관(110) 내부에 상기 혼합공간(A)과 상기 탄산가스 배출공간(B)을 서로 구획하며 구비된다.

또한, 상기 촉매 연소수단(140)은 상기 혼합공간(A)에서 착화된 연료가 촉매 연소하여, 상기 탄산가스 배출공간(B)에 수증기(H₂O) 및 탄산가스(CO₂)를 발생시킨다.

상기 촉매 연소수단(140)에 사용되는 촉매는 구리, 코발트 및 크롬 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다. 이는 희귀금속재인 백금 또는 팔라듐을 이용하지 않고, 비희귀금속재인 구리, 코발트 또는 크롬을 촉매로 활용함으로써, 경제성이 뛰어나면서도 연소온도를 낮출 수 있기 때문이다.

여기서, 상기 촉매 연소수단(140)에 의한 연소온도는 약 900℃를 넘지 않는 중온 연소반응이 이루어진다.

화석 연료는 통상 화염 연소와 같은 고온 연소 반응을 일으키는 것이 일반적이다. 이러한 화염연소는 공연비가 1인 완전연소 영역에서 이루어지며 화염연소가 이루어질 수 있는 공연비는 희박 연소라 할 수 있는 1.5를 넘지 못한다. 이러한 화염연소가 이루어지면 발열량은 매우 높게 되고, 연소 온도는 아무리 낮아도 1100℃ 이하로 떨어지지 않는다. 즉 화염연소와 같은 고온 연소가 발생하면 연소 온도는 1200~1500℃ 정도를 유지하게 된다. 이러한 고온 연소가 일어나게 되면 공기 중의 질소가 산화되어 NOx가 다량 발생하게 되고, 이는 고온 연소에서는 피할 수 없는 결과이다.

반면 본 발명은, 공연비 3 이상의 초희박 혼합기를 연소하는 것을 특징으로 한다. 통상 공연비가 1.5를 넘게 되면 점화나 착화에 따른 화염 연소를 유도하는 것은 매우 어려우며, 이는 초희박 연소인 3 이상에서는 거의 불가능하다. 이에 본 발명에서는 화석 연료와 공기의 연소 반응을 촉매로 촉진함으로써 화염 연소가 아닌 촉매 연소를 통해 초희박 연소를 구현하였다.

또한 본 발명에서는 공연비 3 이상의 초희박 혼합기를 촉매 연소시킴으로써 연소 온도가 대략 800℃를 넘지 않는 중온 연소를 구현하였다. 이러한 약 900℃의 중온 연소는 초희박 연소 과정에서 발생하는 열 에너지를 이용하여 유지하게 된다.

이처럼 본 발명에 의하면 연소 온도가 중온 연소인 900℃를 넘지 않으므로 NOx 유해가스가 거의 발생하지 않는다. 또한 촉매에 의해 연소하게 되므로 중온에서도 초희박 혼합기가 완전 연소되어 미연소 연료 성분(CO, HC 계통)의 발생량을 획기적으로 줄일 수 있다.

상기 열흡수용 열교환기(150)는 탄산가스가 발생되면서 생성되는 수증기를 물로 응축시키기 위한 열교환기로서, 상기 연소수단(140)보다 유동의 하류 측에 있는 상기 연소기 관(110)의 탄산가스 배출 공간(B)에 구비된다. 열흡수용 열교환기(150)는, 촉매 연소에 의해 발생한 고온(실온 대비)의 수증기와 탄산가스가 고온인 상태로 외부로 배출되어 농작물에 피해를 주지 않도록 하기 위해, 연소된 고온의 가스와 열교환을 하며 가스의 열을 흡수함으로써, 배출되는 가스의 온도를 낮추는 것이다.

또한 상기 열흡수용 열교환기(150)에서 열을 빼앗긴 수증기는 열교환기 표면에서 물로 응축하며 자중에 의해 아래쪽으로 흘러 내리게 된다. 이처럼 열흡수용 열교환기(150)는 배출 가스의 수증기를 제거하여, 탄산 가스 공급 장치가 설치된 실내의 습도가 너무 올라가지 않도록 조절하게 된다.

상기 연소기 관(110)의 하면에는 상기 혼합공간(A)에서 상기 배출공간(B) 방향으로 지면에서부터의 높이가 낮아지도록 구배가 형성되어 있어서, 상기 열흡수용 열교환기(150)에서 응축되어 흘러 내린 물이 상기 혼합공간(A)로 유입되지 않게 된다.

이와 더불어, 상기 연소기 관(110)의 상기 탄산가스 배출공간(B) 하면에는 상기 열흡수용 열교환기(150)에서 응축된 물을 상기 연소기 관(110)의 외부로 배출하는 드레인(111)이 더 구비된다.

탄산가스 배출팬(160)은 연소기 관 내에서 발생된 탄산가스를 상기 연소기 관(110) 외부로 배출시키기 위한 팬으로서, 상기 열흡수용 열교환기(150)보다 더 외측에 구비되어, 상기 열흡수용 열교환기(150)를 통과한 탄산가스를 상기 연소기 관(110)의 외부로 배출시킨다.

상기 탄산가스 배출팬(160)과 상기 열흡수용 열교환기(150) 사이에 해당하는 연소기 관(110) 표면에는 공기가 드나들 수 있는 다수의 홀(112)을 형성한다.

다수의 홀을 마련하게 되면, 상기 탄산가스 배출팬(160)이 가동될 때, 연소기 관(110) 외부의 공기가 상기 홀(112)을 통해 상기 연소기 관(110) 내부로 유입된 후 상기 탄산가스와 혼합되며 함께 배출된다. 즉 상기 홀(112)은 탄산가스 배출팬(160)에 의해 팬보다 유동의 상류 쪽에 지나친 음압이 형성되는 것을 억제함으로써, 상기 탄산가스 배출공간(B)의 압력을 적절히 조절하여, 연소기 관(110)의 내부를 유동하는 가스가 충분히 완전 연소될 수 있을 정도로 적절한 속도로 유동하도록 조절하는 기능을 하게 된다.

이 외에도 홀(112)은 연소기 관(110) 외부의 공기가 연소 가스와 혼합되도록 함으로써 탄산가스 배출팬(160)을 통해 배출되는 가스의 온도를 낮추는 기능을 한다.

[연소기를 포함하는 탄산가스 발생장치]

도 3을 참조하면, 본 발명의 본 발명의 촉매연소기(100)는 열전달매체저장부(210), 열배출용 열교환부(220)를 더 포함하여, 하나의 탄산가스 발생장치(200)로 제공될 수 있다.

상기 촉매연소기(100)는 주입되는 연료를 금속산화물 촉매를 이용하여 연소함으로써, 식물 광합성에 필요한 탄산가스를 생성하기 위한 것으로, 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매연소기(100)와 실질적으로 동일하게 구성할 수 있으므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다.

열전달매체저장부(210)는 유체 형태의 열전달매체가 저장되는 탱크이며, 상기 촉매연소기(100)의 외부에 구비된다. 도 3에는 열전달매체저장부가 연소기(100) 상부에 설치된 것이 도시되어 있으나, 위치가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 하부나 측면 등 다른 위치에 배치하는 것도 가능하다.

상기 열배출용 열교환부(220)는 상기 열전달매체에 저장된 열을 외부로 방출하기 위한 것으로서, 상기 촉매연소기(100)의 외부에 구비된다. 열배출용 열교환부(220) 역시 도 3에는 연소기(100) 하부에 설치된 것이 도시되어 있으나, 위치가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 상부나 측면 등 다른 위치에 배치하는 것도 가능하다.

상기 열배출용 열교환부(220)는 열배출용 열교환기(221) 및 열배출 팬(222)으로 이루어지는데, 상기 열배출용 열교환기(221)에는 상기 열전달매체의 열이 전달되고, 상기 열배출 팬(222)은 상기 열배출용 열교환기(221)의 열을 외부로 배출한다. 상기 열배출용 열교환기의 열교환 용량은 상기 연소기에 구비된 열흡수용 열교환기보다 더 크도록 할 수 있다. 이는 후술할 배출 가스의 냉각과 연관된다.

이하에서는 상기 열전달매체의 흐름을 상세히 설명한다.

열전달매체는 종래에 사용되고 있는 암모니아, 프레온 및 메틸클로라이드 등의 냉동사이클에 사용되는 유체이면 제한되는 바는 아니며, 본 발명에서는 환경오염을 발생시키지 않고, 사용이 용이하며, 열용량이 크고 경제성이 뛰어난 물을 사용한다.

먼저, 상기 열전달매체저장부(210)에 저장되어 있는 열전달매체는 상기 연소기 관(110)의 외부면을 감싸는 파이프(P)를 통해 상기 촉매 연소시 발생된 열을 흡수하여 연소기 관이 과열되는 것을 방지하면서, 상기 열흡수용 열교환기(150)로 이동한다.

상기 열흡수용 열교환기(150)로 이동한 상기 열전달매체는, 상기 연료가 연소되면서 생성된 수증기의 열을 배출 공간(B)에서 흡수하여 물로 응축시킴은 물론, 배출공간으로 배출되는 연소 가스의 온도를 낮춰준다.

이렇게 열흡수용 열교환기에서 열을 흡수한 열전달매체는 상기 열배출용 열교환부(220)로 이동하게 되고, 열배출용 열교환부(220)로 이동한 상태에서, 앞서 연소기 관(110)과 열흡수용 열교환기로부터 흡수하였던 열전달매체의 열은 상기 열배출용 열교환기(221)를 매개로 하여, 상기 열배출 팬(222)을 통해 외부로 배출됨으로써, 탄산가스 공급공간에 대한 난방이 이루어질 수 있다. 이 때 열배출 팬(222)으로서 공기유동성능이 높은 팬을 사용하여 열교환기(221)에 다량의 공기를 공급함으로써, 열교환기를 거치며 열을 흡수하는 공기가 지나치게 열을 흡수하여 고온으로 방출되지 않도록 함으로써, 작물 피해를 방지할 수 있다.

다음으로, 열이 배출된 열전달매체는 다시 상기 열전달매체 저장부(210)로 이동하게 되며, 앞서 설명한 순환이 반복된다.

이와 같이 순환되는 열전달매체에는 항상 잔열이 존재하므로, 상기 연소기 관(110)을 예열하는 기능도 하게 되고, 이는 연소기의 재연소시 효율적이다.

한편, 상기 장치는 상기 파이프(P)와 상기 연소기 관(110)을 감싸는 단열재(231,232)를 더 구비함으로써, 상기 연소기 관(110) 외부로의 열전달을 줄여, 재연소시 예열효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 열전달매체 저장부(210)의 상부에는 적어도 하나의 홀(211)을 형성함으로써, 순환되는 열전달매체에 존재하는 잔열에 의해 상기 열전달매체 저장부(210)의 내부 압력이 지나치게 높아지는 것을 방지하는 압력 조절의 기능을 하도록 할 수 있다.

더불어 이동의 편의성을 위해, 본 발명에 따른 탄산가스 발생장치(200)는 상기 촉매연소기(100), 상기 열전달매체 저장부(210), 상기 열배출용 열교환부(220)를 지지하고 이동 가능하게 하는 대차(240)를 더 포함할 수 있다.

상술한 탄산가스 발생장치에 의하면, 장치의 구조가 간단하고 크기가 컴팩트하므로 비닐하우스와 같은 온실 내부에 배치할 때 비닐하우스 내부 공간을 별로 차지하지 않는다. 이처럼 온실 내부에 장치를 배치하게 되면 연료의 촉매 연소가 모두 실내에서 이루어지므로, 연료가 연소하며 발생하는 열량이 모두 온실 내부의 난방에 사용될 수 있다.

충분한 온도가 보장되어 비닐하우스가 오픈된 상태로 운용되는 여름에는 실외 공기가 지속적으로 작물 재배 공간에 유입되므로, 이산화탄소가 부족해지는 문제는 그다지 발생할 여지가 없다. 그러나 외부 기온이 차가워 밀폐된 상태로 비닐하우스가 운용되어야 하는 겨울에는 작물이 광합성을 함에 따라 이산화탄소가 부족해짐은 물론 실내 기온도 매우 차갑다. 본 발명의 탄산가스 발생장치가 이러한 상황에 사용되면, 이산화탄소를 공급할 수 있음은 물론, 연료의 연소에서 발생하는 열량이 모두 실내 난방에 사용될 수 있다는 이점이 있다.

특히 본 발명의 탄산가스 발생장치는, 촉매 연소되어 발생한 탄산가스를 바로 배출하지 않고, 매우 컴팩트한 규모의 크기를 가지는 장치로도 상당 수준 온도를 낮추어 배출할 수 있다는 특징을 가진다.

이를 상세히 설명하자면, 본 발명의 탄산가스 발생장치는 연소수단(140)에서 배출되는 수백 도의 연소가스의 열을 열흡수용 열교환기(150)에서 열전달매체로 흡수하여 냉각하고, 앞서 설명한바 있듯이 연소가스만 배출되도록 하는 것이 아니라 홀(112)을 통해서 연소기 관 외부의 공기를 유입시켜 연소가스와 혼합하여 팬(160)으로 배출되도록 함으로써 고온의 배출 가스에 의해 농작물이 피해를 입는 것을 방지한다.

아울러 열흡수용 열교환기에서 흡수한 열을 열전달매체를 통해 이동시켜 열배출용 열교환부(220)를 통해 배출하되, 열배출팬(222)을 더욱 고속으로 운전하여 배출하면, 열배출팬에 의해 유동하는 다량의 공기에 열전달매체의 열이 적절히 분산되어 흡수되므로 농작물에 피해를 주지 않을 정도의 따뜻한 공기를 배출하는 것이 가능하다. 즉 열배출팬(222)의 공기 유동 능력은 탄산가스 배출팬보다 더 크게 설정될 수 있다.

[탄산가스 발생장치의 제어]

또한, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 탄산가스 발생장치(220)는 센서부(250) 및 제어부(260)가 더 포함되어 이루어질 수 있다.

상기 센서부(250)는 탄산가스 센서, 제1 온도 센서 또는 습도 센서를 포함하며, 탄산가스 공급 공간에 설치된다.

본 발명에서는 상기 센서부(250)를 탄산가스 센서, 제1 온도 센서 및 습도 센서를 모두 포함하는 센서 네트워크로 구성하였다.

상기 제어부(260)는 상기 촉매연소기(100)와 상기 열배출용 열교환부(220)를 제어하기 위한 것으로서, 상기 센서부(260)로부터 측정된 값을 유선 또는 무선으로 수신하여, 사용자에 의해 설정된 제어치가 되도록 상기 촉매연소기(100)와 상기 열배출용 열교환부(220)를 피드백 제어한다.

예를 들면, 상기 센서부(250)의 탄산가스 센서는 탄산가스 공급공간의 탄산가스 농도를 측정하고, 상기 제어부(260)는 상기 탄산가스 센서로부터 탄산가스 농도 값을 수신하고, 수신된 탄산가스 농도 값이 설정된 설정 값보다 작을 경우 상기 촉매연소기(100)를 가동시키고, 클 경우 상기 촉매연소기(100)의 가동을 중지시킨다.

또한, 상기 센서부(250)의 제1 온도 센서는 온도를 측정하고, 상기 제어부(260)는 상기 제1 온도 센서로부터 온도 값을 수신하고, 수신된 온도 값이 설정된 온도 값보다 작을 경우에는 상기 촉매연소기(100) 및 상기 열배출용 열교환부(220)를 가동시키고, 클 경우에는 상기 촉매연소기(100) 및 상기 열배출용 열교환부(220)의 가동을 중지시킨다.

또한, 상기 센서부(250)의 습도 센서는 습도를 측정하고, 상기 제어부(260)는 상기 습도 센서로부터 습도 값을 수신하고, 수신된 습도 값이 설정된 습도 값보다 크거나 작을 경우에 상기 열배출 팬(222)의 동작속도를 조절함으로써, 상기 열전달매체의 온도를 조절하여 배출되는 수증기의 양을 조절할 수 있다.

또한, 상기 제어치는 작물종류에 따라 서로 다르게 설정될 수 있다.

예를 들어, 탄산가스 센서가 사용될 때에는 엽채류의 경우 1,500ppm 내지 2,500ppm, 근채류의 경우 1,000ppm 내지 3,000ppm, 오이, 피망, 가지, 강낭콩의 경우 800ppm 내지 1,500ppm, 과채류의 경우 500ppm 내지 1,500ppm, 토마토, 멜론, 딸기의 경우 500ppm 내지 800ppm의 농도범위 제어치를 설정함으로써 작물 종류에 따라 최적의 탄산가스 농도로 재배환경을 제공할 수 있다.

또한, 작물종류에 따라 탄산가스 농도뿐만 아니라, 온도 값 및 습도 값도 적정 제어치로 설정될 수 있다.

즉, 상기 탄산가스 센서, 제1 온도 센서 및 습도 센서가 복합적으로 구비되어 최적의 작물 생육환경을 조성할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 탄산가스 발생장치에는 제2 온도센서(270) 및 제3 온도센서(280)가 더 구비될 수 있다.

상기 제2 온도센서(270)는 상기 탄산가스 배출부에서 배출되는 탄산가스의 온도를 감지하는 센서로서, 설치되는 위치는 배출되는 탄산가스의 온도를 측정할 수 있는 위치이면 제한되지 않는다.

또한, 상기 제2 온도센서(270)는 탄산가스 배출 온도를 측정함으로써, 사용자는 상기 연소기(100)에서 발생하는 수증기가 물로 응축되는 여부를 용이하게 확인할 수 있다.

상기 제3 온도센서(280)는 상기 촉매연소수단(140)의 온도를 감지하는 센서로서, 설치되는 위치는 상기 촉매연소수단(140)의 온도를 감지할 수 있는 위치이면 제한되지 않는다.

또한, 상기 제3 온도센서(280)는 상기 촉매연소수단(140)의 온도를 측정함으로써, 사용자는 상기 연소기(100)의 착화 여부를 용이하게 확인할 수 있다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 촉매연소기가 설치된 작물재배용 하우스를 더 제공할 수 있다.

예를 들면, 상기 작물재배용 하우스는 상기 촉매연소기 이외에 프레임과 상기 프레임을 덮는 덮개(비닐, 유리 포함)를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 촉매연소기 및 탄산가스 발생장치는 NOx, HC, CO 등의 유해가스, 미연소 또는 불완전연소 연료 성분의 발생량을 획기적으로 줄이면서 안정적으로 탄산가스를 발생시킬 수 있고, 탄산가스 공급공간의 탄산가스 농도, 온도 및 습도를 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

A : 혼합공간 B : 탄산가스 배출공간
100 : 촉매연소기 110 : 연소기 관
111 : 드레인 112 : 홀
120 : 연료분사기 130 : 점화기
140 : 촉매연소수단 150 : 열흡수용 열교환기
160 : 탄산가스 배출팬 170 : 공기공급기
210 : 냉배저장부 220 : 열배출용 열교환부
231, 232 : 단열재 240 : 대차
250 : 센서부 260 : 제어부
270 : 제2 온도센서 280 : 제3 온도센서

Claims (11)

1. 혼합공간과 탄산가스 배출공간을 갖는 연소기 관;
   상기 연소기 관의 일측에 구비되고, 상기 혼합공간으로 연료를 분사하는 연료분사기;
   상기 연소기 관의 일측에 구비되고, 상기 연료와 혼합되도록 공기를 공급하는 공기 공급기;
   상기 혼합공간에 구비되어, 상기 연료를 착화시키는 점화기; 및
   상기 연소기 관 내부에 상기 혼합공간과 상기 탄산가스 배출공간을 서로 구획하여 구비되고, 상기 혼합공간에 착화된 연료가 중온 연소반응에 의해 촉매연소하여, NOx, HC, CO를 포함하는 유해 배기가스의 발생을 억제하면서 상기 탄산가스 배출공간에 수증기 및 탄산가스를 발생시키는 촉매 연소수단;을 포함하는 촉매연소기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 연료와 공기의 혼합기의 공연비는 초희박 혼합기인 촉매연소기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 촉매 연소수단에 사용되는 촉매는 구리, 코발트 및 크롬 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄산가스 배출공간에 구비되어, 상기 수증기를 물로 응축시키는 열흡수용 열교환기;를 더 포함하고,
   상기 연소기 관의 하면은 상기 열흡수용 열교환기에서 응축된 물이 상기 혼합공간으로 유입되지 않도록 구배가 있는 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄산가스 배출공간에 구비되어, 상기 수증기를 물로 응축시키는 열흡수용 열교환기; 및
   상기 열흡수용 열교환기의 외측에 구비되어 상기 열흡수용 열교환기를 통과한 탄산가스를 상기 연소기 관의 외부로 배출시키는 탄산가스 배출팬;을 더 포함하고,
   상기 연소기 관은, 상기 탄산가스 배출 팬과 상기 열흡수용 열교환기 사이의 위치에, 외부와 관통되는 적어도 하나의 홀이 형성되어, 상기 탄산가스 배출팬이 가동될 때, 외부의 공기가 상기 홀을 통해 내부로 유입된 후 상기 탄산가스와 함께 배출되는 것을 특징으로 하는 촉매연소기.
   
6. 청구항 1의 촉매연소기;
   상기 촉매연소기의 외부에 구비되는 열전달매체저장부;
   상기 연소기 관의 외부면을 감싸는 파이프;
   상기 탄산가스 배출공간에 구비되어, 상기 수증기를 물로 응축시키는 열흡수용 열교환기; 및
   상기 촉매연소기의 외부에 구비되는 열배출용 열교환부;를 포함하고,
   상기 열전달매체저장부에 저장된 열전달매체는 상기 파이프를 통해 상기 촉매 연소 시 발생된 열을 흡수하면서 상기 열흡수용 열교환기로 이동하여 배출 공간 내의 연소가스의 열을 흡수하고, 상기 열배출용 열교환부로 이동하여 흡수하였던 열을 배출한 후, 다시 상기 열전달매체 저장부로 이동함으로써, 상기 열전달매체가 순환되는 것을 특징으로 하는 탄산가스 발생장치.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 열배출용 열교환부는,
   상기 열전달매체의 열이 전달되는 열배출용 열교환기; 및
   상기 열배출용 열교환기의 열을 외부로 배출하는 열 배출팬;을 포함하되, 열 배출팬의 공기 유동 능력이 상기 촉매연소기의 후방에 있는 탄산가스 배출팬보다 큰 것을 특징으로 하는 탄산가스 발생장치.
   
8. 청구항 6에 있어서,
   탄산가스 공급 공간에 설치되고, 탄산가스 센서, 제1 온도 센서 또는 습도 센서를 포함하는 센서부; 및
   상기 센서부로부터 측정된 값을 유선 또는 무선으로 수신하고, 설정된 제어치에 따라 상기 촉매연소기와 상기 열배출용 열교환부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산가스 발생장치.
   
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 열흡수용 열교환기의 외측에 구비되어 상기 열흡수용 열교환기를 통과한 탄산가스를 상기 연소기 관의 외부로 배출시키는 탄산가스 배출팬; 및
   상기 탄산가스 배출팬에서 배출되는 탄산가스의 온도를 감지하는 제2 온도 센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산가스 발생장치.
   
10. 청구항 6에 있어서,
    상기 촉매 연소수단의 온도를 감지하여, 상기 연료의 착화를 감지하는 제3 온도센서;가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 탄산가스 발생장치.
    
11. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 촉매연소기 또는 청구항 6 내지 청구항 10의 탄산가스 발생장치가 설치된 작물재배용 하우스.
    

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